【正文】 ror_2=0。此循環(huán)每30ms運算一次。 PID_THR=PIDVAL()。Filter_Value = Filter()。如果高度在3到250之間，則此次高度值有效，并且將上一次高度值與此次高度值進行比較，如果差值過大，則此次高度值作廢。當(dāng)檢測到開關(guān)PWM大于1700時，則啟動自動定高模式。如果高度在3到250之間，則此次高度值有效。 //測量油門通道輸入的PWM值H=pulseIn(EchoPin,1)/。 //測量開關(guān)通道輸入的PWM值進入手動模式后，讀取油門輸入引腳的PWM值并記錄下來，油門值為THR；測量當(dāng)前高度H為設(shè)定高度（當(dāng)開關(guān)切換到自動模式后，此高度將作為設(shè)定高度進行運算，設(shè)定高度即為飛行器懸停的高度）。系統(tǒng)讀取開關(guān)PWM信號并進行記錄，然后判斷手動自動模式開關(guān)PWM信號的高電平持續(xù)時間，小于1700為手動模式，大于1700為自動定高模式。 程序流程圖 程序流程圖，首先對控制系統(tǒng)進行程序的初始化，控制板的引腳初始化。當(dāng)切換為手動模式時，控制板接收到接收機的油門PWM信號時，可以直接輸出此PWM信號直接傳送給飛控。為了可以手動完成控制和安全起見，需要有手動控制油門大小和自動控制油門大小兩個控制方式，需要從接收機端輸出另一通道實現(xiàn)手動自動的切換功能。首先通過外接控制板嵌入接收機和飛控中間，將接收機輸出的油門信號傳送給控制板，控制板可以直接輸出接收機的油門信號，同時還可以控制輸出油門PWM值的大小。 程序設(shè)計思路本項目需要控制四旋翼飛行器的高度，而四旋翼飛行器高度的控制是通過油門控制4顆電機的轉(zhuǎn)速增加和減小來達到飛行器高度的升高與降低。飛控的控制目標(biāo)是使其在無動作指令時保持穩(wěn)定懸停狀態(tài)，有動作指令時有效完成指定動作。分為4個不同姿態(tài)通道，使其為PWM信號傳送給飛行控制器。PPM信號 電機4電機3電機2電調(diào)4電調(diào)3電調(diào)2電調(diào)1PWM3PWM2PWM1PID控制姿態(tài)解算三軸磁力計三軸加速度計三軸陀螺儀主控制器姿態(tài)測量系統(tǒng)無線模塊姿態(tài)控制指令電機1PWM4 四旋翼控制框圖，只要為控制飛行器飛行姿態(tài)的指令，分為俯仰，油門，偏航和滾轉(zhuǎn)。(d)中，當(dāng)操作遙控器的方向通道進行改變時，相對的兩顆電機轉(zhuǎn)速增大，也就是旋轉(zhuǎn)方向相同的電機。 旋翼轉(zhuǎn)動過程中由于空氣阻力作用會形成與轉(zhuǎn)動方向相反的反扭矩，為了克服反扭矩影響，可使四個旋翼中的兩個正轉(zhuǎn)，兩個反轉(zhuǎn)，且對角線上的各個旋翼轉(zhuǎn)動方向相同。四旋翼飛行器的滾轉(zhuǎn)姿態(tài)，(c)所示。 四旋翼飛行器的俯仰姿態(tài)，(b)所示。(a)為四旋翼飛行器的油門控制，通過控制增大遙控器的油門通道，將同時增大四顆電機的轉(zhuǎn)速，當(dāng)螺旋槳產(chǎn)生的升力大于四旋翼本身的重量時，飛行器將上升。螺旋槳轉(zhuǎn)動過程中由于空氣阻力作用會形成與轉(zhuǎn)動方向相反的反扭矩，為了克服反扭矩影響，四個旋翼中的兩個電機正轉(zhuǎn)，兩個電機反轉(zhuǎn)，且對角線上的各個電機轉(zhuǎn)動方向相同。由于電機是通過電子調(diào)速器來控制電機轉(zhuǎn)速，所以控制板所輸出的信號需傳遞給CC3D飛控，飛控將信號進行分析，最終的處理結(jié)果通過4個調(diào)子調(diào)速器所對應(yīng)的端口分別輸出給電子調(diào)速器，再由電子調(diào)速器對每顆電機的轉(zhuǎn)速進行控制。 硬件原理圖 硬件設(shè)計小結(jié)基于四旋翼飛行器的定高，通過任務(wù)要求選擇210mm軸距的機架，進而確定其余設(shè)備的尺寸型號大小，基于超聲波傳感器的精確測量和穩(wěn)定性，選擇傳感器為HCSR04。而接收機的油門信號線和手動自動模式信號線則連接到Arduino控制板的PWM信號輸入端。電子調(diào)速器的信號線都連接到CC3D飛控的4個輸入通道上，由于每個電子調(diào)速器都有5V的穩(wěn)壓輸出，所以每個電子調(diào)速器都可以進行供電，其中任意3個電調(diào)的5V電源線直接連接到飛控端，給飛控供電，剩下的一組電源線接到Arduino控制板，給控制板進行供電。由于需要考慮到飛行器的安全問題，所以需要設(shè)計1個開關(guān)切換手動和自動模式，進而在可能發(fā)生意外情況時可以及時切換到手動模式進行手動飛行來控制飛行器，所以需要1個開關(guān)輸入。 組裝后的四旋翼飛行器 I/O分配表四旋翼有4顆電機控制姿態(tài)變化，通過電調(diào)來接收飛控發(fā)出的PWM指令，固有4個電機PWM輸出信號，飛控作為飛行器的姿態(tài)控制器，需要接收發(fā)射機的手動遙控信號來進行姿態(tài)的手動變化，而主要的姿態(tài)變化有飛行器的前后俯仰變化，左右的滾轉(zhuǎn)，航向的偏轉(zhuǎn)和高度的油門變化量，所以一共有4個輸入信號給飛控。 Aduino 2560開發(fā)板飛行器的硬件組裝中需要注意很多的細節(jié)，由于飛行器的機架為全碳纖維材料，碳纖維材料是導(dǎo)電的，所以需要在安裝時對電路上露出來的元件絕緣或者墊高，避免接觸到碳纖維。能夠通過USB直接下載程序。Arduino開發(fā)板設(shè)計得非常簡潔，一塊AVR單片機、一個晶振或振蕩器和一個5V的直流電源。由此通過發(fā)射信號到收到的回響信號時間間隔可以計算得到距離。一旦檢測到有回波信號就輸出回響信號。超聲波在空氣中速度為340m/s，此時記錄的時間為t，就能計算出超聲波傳感器離地面或者障礙物的距離為s，則距離為s=340t/2 。使用電壓為5V，測量感應(yīng)角度15度以內(nèi)，測量距離為2cm到450cm。價格低廉，結(jié)構(gòu)小巧，重量極輕，適合210mm的機架，符合方案要求。方便快捷，功能繁多。 Matek Mini分電板 四旋翼飛行器的飛行姿態(tài)需要有手動來控制，用來遙控四旋翼飛行器選用Futaba14SG（），而在飛行器上接收發(fā)射機信號的接收機為R6106接收機（）。 花牌3S 1300mAh鋰電池 乾豐5030螺旋槳由于鋰電池需要為4顆電調(diào)分別供電，需要單獨分電板，分電板可以為4顆電調(diào)提供所需的電流，結(jié)構(gòu)簡單，不需要把所有線都焊在一起，美觀而有效。木漿的材料多為櫸木，硬度高，重量輕，經(jīng)過風(fēng)干打蠟上漆以后不怕受潮，震動極小，不過木槳的效率比較低。容量為1300Mah，放電倍率為25倍，電池型號為花牌3S 1300mAh（）。最大拉力380g，承載1kg的四旋翼無人機。平均工作電流可維持在12A，峰值電流可達15A，與銀燕1806電機正好匹配，而且有BEC穩(wěn)壓功能，穩(wěn)壓輸出為5V，電流為1A。無刷電機具有無電刷、低干擾，噪音低，運轉(zhuǎn)順暢，效率高，壽命長等優(yōu)點，更適合用于四旋翼飛行器。無刷電機KV值定義為 轉(zhuǎn)速/V，意思為輸入電壓增加1伏特，無刷電機空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速增加的轉(zhuǎn)速值。由于飛行時飛行器會產(chǎn)生震動，防止因震動導(dǎo)致螺絲松動引起的事故，更加安全。為此，選擇軸距為210mm的四旋翼機架（），機架全部使用碳纖維材料制成，主體設(shè)備架采用鏤空結(jié)構(gòu)以減輕機架重量。2 四旋翼飛行器硬件設(shè)計 硬件選型由于室內(nèi)空間有限，機體不能過大，為完成諸多任務(wù)，需要攜帶多種載荷，機體不能過小?？刂瓢遄鳛楦叨瓤刂频闹骺叵到y(tǒng)，通過讀取超聲波傳感器的高度信號，進而改變輸出油門的大小，來控制飛行器的油門變化，實現(xiàn)高度自主控制的功能。在定高程序的設(shè)計中，使用了PID控制，可以使定高更加穩(wěn)定有效。在傳感器上，選用超聲波作為高度獲取裝置，價格低廉，而且高度范圍也在需求以內(nèi)。其中輸入端為油門信號，手動自動切換信號，高度超聲波高度信號；輸出為油門輸出信號和超聲波觸發(fā)信號。超聲波傳感器有檢測角度范圍，波束角大約為15度，可以在一定角度范圍內(nèi)保持高度的準(zhǔn)確性，飛行器在姿態(tài)改變較小時，超聲波的傾斜并不會改變高度值，選擇基于超聲波傳感器控制系統(tǒng)作為四旋翼高度自主控制系統(tǒng)?；诔暡▊鞲衅飨到y(tǒng)進行了改善，只對需要進行控制和改變的油門和手動自動模式通道連接控制板，使設(shè)備運算更加方便快捷。飛控是控制系統(tǒng)的核心部分，他在每個控制周期內(nèi)實時處理傳感器采集的數(shù)據(jù)和飛行器的姿態(tài)信息，完成PID控制的算法，得到四旋翼飛行器的姿態(tài)和位置信息，整合接收機和控制板輸入的控制信號，計算出控制量，轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的控制信號經(jīng)驅(qū)動電路后驅(qū)動四顆電機工作，保持四旋翼飛行器的穩(wěn)定飛行（）。高度傳感器選用超聲波傳感器來對高度進行測量，超聲波傳感器連接于控制器，由控制器發(fā)送指令出發(fā)超聲波模塊，超聲波將高度數(shù)據(jù)傳回控制板?？刂破魇盏浇邮諜C的油門和手動自動切換模式2個信號，飛控接收副翼，升降，方向3個信號。圖1. 2 基于激光傳感器的控制示意圖利用遙控器實現(xiàn)控制信號的發(fā)送，通過飛行器上的接收機來接收遙控器發(fā)送的信號，接收到油門，副翼，升降，方向，手動自動切換模式5個信號，接收機將信號轉(zhuǎn)化為PWM信號輸出給飛控和控制器。在實驗過程中